什么是半导体？以通俗易懂的方式解释为智能手机、电动汽车和人工智能提供动力的“沙子”的本质

突然，你的智能手机里有东西。约200亿个“开关”打开了。 200亿是地球人口的两倍多。面积相当于 5 日元硬币大小的芯片上装有如此多的开关。

用于制造这种开关的材料是在海滩和沙漠中发现的沙子（硅）。在这个占地壳约 28% 的星球上，第二个最常见的元素是。

“计算机在沙子上运行。”这是半导体最大的惊喜。

那么，为什么硅可以用作开关呢？那里有一些有趣的物理学。

原子中的电子只能存在于特定的“能级”。当它变成固体时，无数的原子排列起来，这些阶梯散布成一条带。这能带它被称为。下能带充满电子（价带）以及电子可以自由移动的上能带。（导带）他们之间有差距。这是带隙是。

在金属中，这个间隙几乎为零，电子总是可以自由移动。橡胶和木材中的间隙太大，电子无法通过。硅位于中间，当添加热、光或杂质时，电子可以跨越间隙。这”可根据情况切换” 半导体的特殊特性。导电 =1, 不通过=0。这0和1组合代表所有信息并执行计算。

即使对于半导体，带隙的宽度也根据材料的不同而有很大差异。这个“间隙大小”是决定该材料适合什么样的产品的最大因素。

间隙越窄，越多的电子可以用更少的能量跳过它。由于夜间摄像机和体温传感器中使用的半导体可以与红外线和与体温相当的热量发生反应，因此它们具有极小的带隙（例如锑化铟 (InSb)，约为 0.17 eV）。

硅 (Si) 的带隙约为 1.1 eV，大致与可见光的能量相当。这是图像传感器这就是为什么它非常适合太阳能电池。硅具有“恰到好处的间隙”，使其能够有效地将阳光能量转化为电能。

另一方面，带隙越宽，电子移动越困难，即使施加高电压也越难击穿。碳化硅（SiC）或者氮化镓（GaN）带隙大约是硅的三倍，可以承受高温和电压。这就是为什么它被用于电动汽车电机控制和5G基站传输电路。

青色LED使用氮化镓也是出于同样的原因。当电子穿过带隙时，LED 就会发光。间隙越宽，发射的能量越高=波长越短。红色和绿色是使用间隙相对较窄的材料实现的，但蓝色需要间隙较宽的材料，这一直是一个长期的研究课题。这个问题的解决方案是日本研究人员（Akasaki、Amano 和 Nakamura）开发了 GaN LED，并于 2014 年诺贝尔物理学奖这导致了

对“超宽间隙”材料（氧化镓 Ga2O₃ 和金刚石）的进一步研究为未来超高压功率器件和极端环境下的运行带来了希望。其中一个轴，即带隙宽度，对于红外传感器非常重要。量子计算机这创造了广泛的技术多样性。　

纯硅是电的不良导体。硅原子的最外层有四个电子，并在四个方向上与相邻原子共享电子，形成稳定的晶体。由于电子不能移动，因此几乎没有电流流动。

这里 ”兴奋剂”出现。这是一种有意将少量杂质混入硅晶体中以精确控制其电性能的技术。

当最外层有5个电子的磷（P）被添加到硅中时，4个用于成键，剩下1个。这些额外的电子可以自由移动，使电流更容易流动。这n类型半导体（n = 负，负电荷 = 许多电子）。

相反，如果添加硼 (B)（其最外层电子层有 3 个电子），就会产生一个缺少 1 个电子的“空穴”。这个洞洞当邻近的电子跃入空穴时，空穴就会移动。电流随着空穴的移动而传输。这p类型半导体（p=正，有很多正电荷）。

掺杂量仅为百万分之一左右。仅此一项就可以将电阻改变几个数量级。半导体工厂面临的最大技术挑战之一是在原子水平上精确控制这些杂质的浓度。

当n型和p型半导体键合在一起时，结处会出现一种特殊的现象。 n型侧的自由电子和p型侧的空穴在接合面附近相互吸引，相互抵消并消失。结果，结处没有电子或空穴。空乏层”，形成一堵阻碍电流流动的墙。

当你在这里施加电压时，它的行为会根据其方向的不同而完全不同。

n 型侧的 + 电压和 p 型侧的 - 电压（正向偏压），壁变得更薄，电子和空穴流过结。有大电流流动（ON状态）。

相反，-电压施加到n型侧，+电压施加到p型侧（反向偏压），壁变得更厚并且几乎没有电流流动（OFF状态）。

进一步发展PN结的装置晶体管是。现代半导体芯片中最常用的是什么？场效应管（金属氧化物半导体场效应晶体管）。

MOSFET 在 p 型硅衬底上有两个 n+ 区域（具有许多电子）（源极和漏极），其间的基板表面隔着薄绝缘膜（氧化膜）覆盖有栅电极。

当栅极上没有施加电压时，源极和漏极被p型基板隔开，并且没有电流流动（OFF）。

当向栅极施加正电压时，电场力会驱走 p 型基板表面上的空穴并吸引电子取代它们。然后，电子路径（渠道）形成并且电流流动（ON）。

大电流可以通过称为栅极电压的小信号来打开和关闭。这就是晶体管作为开关的原理。智能手机芯片中的 100 亿个开关都是这种结构的微观版本。尖端芯片的工艺节点现已达到2-3纳米一代，与DNA分子的直径（约2纳米）处于同一数量级。

当您使用智能手机相机拍照时，镜头会以与胶片相机相同的方式收集光线。然而，接收光线的不是胶片，而是称为图像传感器的半导体芯片。

传感器的表面排列着数千万个微小的方块（像素）。当每个方块接收到光线时，它会将“亮度”转换为电气强度并记录该值。使用 3000 万像素相机，按下快门的那一刻会同时进行 3000 万次测量。

这就是带隙再次发挥作用的地方。当光（光子）撞击硅时，能量导致电子跨越带隙，产生电流。光越亮，越多的电子可以跳过它，电流就越大。这种“光→电子数→数值”的转换就是图像传感器的原理。

此外，拍摄后立即执行色彩校正、噪声消除和面部识别的图像处理芯片（ISP）也由相同的半导体制成。智能手机相机之所以能够接近单反相机的图像质量，不仅取决于镜头性能，还取决于这种半导体系统的演变。

目前，日本企业占据智能手机图像传感器全球约一半的市场份额。半导体是无形中支撑日本产业竞争力的领域之一。

电动汽车通过将电力从巨大的电池传送到电机来运行。然而，即使将电池电力直接传递给电机，也无法高效工作。需要一个“控制装置”来微调电压和频率，而装置的心脏就是功率半导体是。

功率半导体就像“大坝中的闸门”。一个很小的控制信号就可以瞬间打开和关闭数百安培的大电流。通过每秒重复数万次这种打开和关闭，可以平稳地调节发送到电机的功率。

最近的电动汽车已开始使用由碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等材料制成的功率半导体，而不是硅 (Si)。这些材料具有比硅更大的带隙，即使在高温和电压下也不太可能被击穿。为了延长电动汽车的续航里程，一个重要的开发主题不仅是增加电池容量，而且还要提高这些功率半导体的效率。

ChatGPT于2022年底发布，已在全球范围内得到爆炸性使用。这种“理解单词并生成自然句子”的人工智能在幕后执行大量计算。负责计算的人是图形处理器（图形处理单元）是一种半导体芯片。

GPU是最初为绘制游戏图形而创建的芯片。要为游戏创建 3D 图像，必须几乎同时计算屏幕上的所有像素。因此，GPU 被设计为排列数千个小型计算单元并并行处理大量计算。

这”擅长并行计算” 的特性与人工智能学习完美匹配。人工智能学习涉及“重复大量数字的乘法和加法数万亿次”，这正是 GPU 所擅长的。

目前，运行 ChatGPT 的数据中心配备了数万个 GPU，每个 GPU 的成本高达数百万日元。如果没有半导体微型化技术，就不会存在当前的人工智能热潮。每次向 ChatGPT 提问时，您都会从这项技术中受益。

迄今为止推出的半导体都是使用0和1处理信息的“经典计算机”技术。然而，半导体研究人员现在正在开发基于完全不同原理的计算机。那是一台量子计算机。

量子计算机的基本单元是“量子比特（量子位）。虽然普通位只能是 0 或 1，但量子位可以处理同时为 0 和 1 的状态。叠加它被称为。

利用这一特性，可以更快地解决某些计算数量级的问题。例如，今天的计算机将能够破解需要数万年的密码，或者在短短几个小时内完成新药的分子模拟，这些正在成为现实。

实现量子位的方法有多种，但主要候选方法之一是半导体量子点是。这是一个非常小的“盒子”，仅将一个电子限制在硅或砷化镓等半导体中，并使用电子的自旋（类似于旋转的属性）作为量子位。

硅量子点的优点是可以直接应用当前的半导体制造技术。实际应用仍面临诸多挑战。稳定限制电子需要极低的温度（接近-273°C，接近绝对零），目前只能在冰箱大小的设备中运行。尽管如此，世界各地的研究机构仍在竞相使用与智能手机相同的硅来制造量子计算机，并且这个梦想正在稳步实现。

智能手机相机、电动汽车、人工智能、量子计算机。这些不同的技术都通过一把钥匙连接起来：半导体。起点是岸边的沙子。

带隙的概念渗透到相机像素、电动汽车电机控制、人工智能计算和量子比特等各个方面。物理定律以多种不同方式影响人类生活。

半导体技术一直朝着“小型化”、“提高效率”、“利用新物理现象”等方向不断发展，现在即将进入一个新阶段。现在在高中学习这些技术的人可能是决定谁创造这些技术以及如何使用这些技术的人。

学习物理和数学是参与这种未来的大门。沙子里隐藏着看不见的未来。